I nuovi confini delle nanoscienze per le tecnologie quantistiche

I più autorevoli ricercatori al mondo in vari settori delle nanoscienze, fra i quali Roberta Sessoli, hanno proposto su Nature Nanotechnology le linee di ricerca più promettenti su cui basare le tecnologie quantistiche del futuro.

Alcuni fra i più autorevoli ricercatori al mondo in vari settori delle nanoscienze si sono riuniti a Seoul nel neonato Center for Quantum Nanoscience per riflettere insieme e proporre le linee di ricerca più promettenti su cui basare le tecnologie quantistiche del futuro. Fra loro c’era Roberta Sessoli, ordinaria di Chimica generale ed inorganica del Dipartimento di Chimica, vincitrice nel 2019 del Centenary Prize 2019 della Royal Society of Chemistry per i suoi studi sul magnetismo molecolare. Il risultato di quell’eccezionale esperimento di brain storming è un perspective article, pubblicato su Nature Nanotecnology.

L’articolo “Quantum-coherent nonoscience” è il frutto dell’interazione fra un gruppo internazionale di ricercatori, leader in vari settori delle nanoscienze ma con il comune interesse ai fenomeni fondamentali del mondo quantistico, quali la sovrapposizione coerente degli stati, l’interferenza e l’entaglement. Queste proprietà sono alla base delle tecnologie quantistiche, come la comunicazione, la computazione, la simulazione e la sensoristica quantistiche, oggetto di un crescente interesse anche da parte della politica della ricerca e innovazione. Le quattro tecnologie sono anche i pilastri su cui è costruita la Quantum Flagship della Comunità Europea, allineata a iniziative simili nei paesi più sviluppati.

Dal nostro confronto sono scaturiti quelli che riteniamo saranno gli importanti sviluppi concernenti lo sfruttamento della coerenza quantica nei sistemi su scala nanometrica, che viene chiamata nanoscienza quantistica coerente.

Negli ultimi tre decenni, la nanoscienza ha avuto un’influenza diffusa su varie discipline come la fisica, la chimica e l’ingegneria, portando a nuove scoperte fondamentali e ad applicazioni e prodotti innovativi. In questo periodo, la scienza e la tecnologia quantistica si sono sviluppate in un contesto interdisciplinare che unisce una ricerca affascinante a prospettive applicative e commerciali enormi.

Come sappiamo, la meccanica quantistica detta le leggi fondamentali che governano il comportamento dei campi e della materia dalle particelle agli atomi e molecole. Pertanto, tutte le funzionalità su scala nanometrica sono, a un certo livello, sostenute da effetti quantistici. Tuttavia molti degli attuali dispositivi funzionanti alla nanoscala operano senza sfruttare le proprietà di coerenza quantistica.

Un lettore con un po’ di dimestichezza nel settore si accorgerà che non vengono discussi, in questo articolo, i circuiti superconduttori su cui si basano i più avanzati sviluppi nel campo dei computer quantistici. IBM ha annunciato in queste settimane di avere realizzato un processore con 127 quantum bits o qubits basati su circuiti superconduttori. Questa scelta è motivata dal fatto che questi circuiti operano su una scala molto più grande, ovvero delle centinaia di micrometri, sebbene l’elemento quantistico, ovvero il sottile strato di materiale isolante fra due superconduttori che costituisce la giunzione Josephson, sia di dimensioni minori.

L’obiettivo è piuttosto quello di illustrare come la capacità di progettare e controllare strutture su scala nanometrica consenta l’implementazione di funzionalità quantistiche coerenti: la carica elettrica confinata in una o due dimensioni (rispettivamente noti come quantum dots e quantum wires); lo spin di elettroni e nuclei associati a quantum dots, impurezze in semiconduttori, atomi e molecole su superfici o all’interno di giunzioni nanoscopiche, i fotoni emessi e rilevati da nanostrutture; oscillatori nanomeccanici; sistemi quantistici ibridi che coinvolgono l’accoppiamento coerente tra diversi gradi di libertà.

Il contributo della chimica a questo settore riguarda principalmente la progettazione e la realizzazione di molecole portatrici di elettroni spaiati. Sebbene le molecole rappresentino la piattaforma quantistica meno investigata, queste presentano caratteristiche uniche. Le proprietà di coerenza delle molecole magnetiche, se opportunamente disegnate, sono comparabili con quelle degli altri sistemi. Presentano una maggiore versatilità nella costruzione del sistema di livelli (o spazio di Hilbert), permettendo la realizzazione di qudits (qubit a più livelli) particolarmente utili per l’implementazione di protocolli per la correzione degli errori. Hanno il vantaggio di una intrinseca robustezza delle proprietà, impartita dalla struttura chimica preorganizzata, che permette la trasportabilità e l’integrazione con altri sistemi: per esempio molecole con coerenza quantistica sono state accoppiate a superconduttori o a nano-oscillatori. La struttura molecolare può essere inoltre ingegnerizzata per consentire l’inzializzazione e la “lettura ottica”, in maniera simile a quanto fatto con i difetti di azoto e vacanze nel diamante, i sensori quantistici attualmente più utilizzati.

Rispetto alle nanostrutture inorganiche che possono sfruttare decenni di sviluppo della tecnologia CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) basata sul silicio, il controllo elettrico dello spin delle singole molecole è ancora in una fase iniziale ma che progredisce rapidamente. Sono stati recentemente pubblicati i primi esperimenti di risonanza paramagnetica elettronica su singola molecola realizzati con microscopie a scansione di sonda basate sull’effetto tunnel, condotti presso l’istituto di Quantum Nanoscience di Seoul diretto da Andreas J. Heinrich, coordinatore dell’iniziativa da cui è scaturito il nostro articolo. E il laboratorio di magnetimo molecolare (LaMM) e il centro per le tecniche a scansione di sonda (CETECS) del Dipartimento di Chimica Ugo Schiff collaborano con i laboratori coreani per l’identificazione di nuovi qubit molecolari e la loro integrazione in nanoarchitetture ibride; un approccio dalle enormi potenzialità per lo sviluppo delle future tecnologie quantistiche.

Roberta Sessoli


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